Stadi di Ingresso e Uscita speciali

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1 Stadi di Ingresso e Uscita speciali, AA

2 Modello e stadio di uscita Non è possibile connettere le uscite di due dispositivi (bassa impedenza di uscita = percorso a bassa impedenza tra e gnd) Scorre una corrente Ip tra e gnd attraverso Rop (dx) e Rog (sx), Ip=/(Rop+Rog) La linea si porta alla tensione di partitore V = Rog/(Rop+Rog) Se Rop=Rog V = /2 (zona di incertezza) In= 0 In= 1 Rip Rop Rop Rip Iil In= 0 Vil Cin Rig Funzione logica NOT Cpd Rog Ioh Voh Cpd Rog In= 1 1 Iol Vol Funzione logica NOT Rig Iih Cin Vih

3 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita a collettore aperto (open collector) Il dispositivo ha due uscite possibili: 0 e Z (alta impedenza) Necessità di resistenza esterna di pull-up Rp (Rp>>Rop) per ricreare il livello 1 In= 0 Rp In= 1 Rip Rop Rip Iil In= 0 Vil Cin Rig Funzione logica NOT Cpd Rog Voz Rp Iol Vol Cpd Rog Funzione logica NOT Rig In= 1 Iih Cin Vih 2

4 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita a collettore aperto (open collector) Dato che Rp>>Rop~Rog, si ha un livello 1 molto più debole dello 0 La capacità di carico Cl si scarica velocemente su Rog del dispositivo che impone la commutazione a 0, ma è molto lenta a caricarsi attraverso Rp (uscite a Z ) L open collector può agire da traslatore del livello 1 1 (es. da logiche a 3.3V verso 5V) 0 = 3.3V Rp 1 = 5V Rip Rop Rip Iil In= 0 Vil Cin Rig Funzione logica NOT Cpd Rog Rp Cl Vo Icarica Iscarica Cpd Rog Funzione logica NOT Rig In= 1 Iih Cin Vih 3

5 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita a collettore aperto (open collector) Esercizio: dimensionamento della resistenza di pull-up Dato un dispositivo open collector che può pilotare fino a 10 dispositivi, dimensionare Rp se si desidera mantenere un immunità al rumore di Vn=0,3V. (Vih=2V, Vil=0,8V, Vol=.4V, Iol=8mA, Iil=.4mA, Iih=20μA, Vcc=5V) NOTA: per un dispositivo non sono dati Voh e Ioh Rp Soluzione Rp deve essere abbastanza piccola da fornire la corrente richiesta dagli N carichi (N Iih) quando la linea è a livello 1 ( Voh =Vih+Vn) Rmax=(Vcc-(Vih+Vn))/(N Iih) (= 13,5kΩ ) La corrente che scorre in Rp quando la linea è a livello 0, sommata alle correnti Iil provenienti dagli N carichi, deve essere inferiore alla massima corrente Iol del pilota Rmin=(Vcc-Vol)/(Iol-N*Iil) (=1,15kΩ ) per cui un valore di 10kΩ soddisfa i requisiti. NOTA: un valore di 1,5 kω rende il circuito più veloce 4

6 Modello e stadio di uscita Esercizio: dimensionamento della resistenza di pull-up Dato un dispositivo open collector con resistenza di pull-up di 10 kω, qual è il FANOUT se desidero mantenere un immunità al rumore di Vn=0,3V? (Vih=2V, Vol=.4V, Iol=8mA, Iil=.4mA, Iih=20μA, Vcc=5V) NOTA: per un dispositivo non sono dati Voh e Ioh Rp Soluzione Rp deve essere abbastanza piccola da fornire la corrente richiesta dagli N carichi (N Iih) quando la linea è a livello 1 ( Voh =Vih+Vn) (Vcc-Voh)/Rp> N Iih N < (Vcc-Voh)/(Rp Iih) Rmax=(Vcc-(Vih+Vn))/(N Iih) La corrente che scorre in Rp quando la linea è a livello 0, sommata alle correnti Iil provenienti dagli N carichi, deve essere inferiore alla massima corrente Iol del pilota Iol > (Vcc-Vol)/R + N Iil N <(R Iol-Vcc+Vol)/Iil Rmin=(Vcc-Vol)/(Iol-N Iil) Rmax>10KΩ -> N<13.5 -> N=13 Rmin<10KΩ -> N< > N=18 quindi il numero massimo di carichi e' 13 5

7 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita con terzo stato (3-state) Lo stadio di uscita 3-state è aderente al modello di uscita (Ioh, Iol, Voh, Vol, Trise, Tfall) ma può funzionare anche con entrambi gli interruttori di uscita spenti (terzo stato = stato Z = stato ad alta impedenza) Il dispositivo ha tre uscite possibili: 0, 1 e Z (alta impedenza) Necessità di un ingresso di controllo Necessita di una resistenza di pull-up per fissare il valore della linea quando il dispositivo ha l uscita a Z Le linee multiutente realizzate con dispositivi 3-state necessitano di un protocollo perché solo un uscita alla volta può essere abilitata Control In Out Rop Rp Control In Out In Control Out 0 X Z X = indifferente Rog 6

8 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita con terzo stato (3-state) Lo stadio di uscita 3-state è il più generale e può emulare il funzionamento dell open collector (se In= 0, applicando il segnale d ingresso negato a Control) e della normale porta (se Control= 1 ) Control In Out In Out In Out Control In Out 0 X Z In Out Z In Out X = indifferente 7

9 Modello e stadio di uscita Dispositivi con uscita con terzo stato (3-state): caratteristiche Vol = livello di tensione dell'uscita correttamente funzionante nello stato basso Voh = livello di tensione dell'uscita correttamente funzionante nello stato alto Iol = livello di corrente scambiato con il carico quando l'uscita e' a "0" Ioh = livello di corrente scambiato con il carico quando l'uscita e' a "1" Iozl = livello di corrente scambiato con il carico quando l'uscita e' a "0" ma il dispositivo e' tenuto in alta impedenza Iozh = livello di corrente scambiato con il carico quando l'uscita e' a "1" ma il dispositivo e' tenuto in alta impedenza Iccl = corrente assorbita dall'alimentazione con tutte le uscite del dispositivo a "0" Icch = corrente assorbita dall'alimentazione con tutte le uscite del dispositivo a "1" Iccz = corrente assorbita dall'alimentazione con tutte le uscite del dispositivo a Z" Tplh = ritardo di prop. del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita "0" a "1") Tphl = ritardo di prop. del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita "1" a "0") Tpzh = del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita Z" a "1") Tpzl = del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita Z" a "0") Tphz = del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita "1" a Z") Tplz = del segnale da ingresso a uscita (transizione dell'uscita "0" a Z") 8

10 Modello e stadio di uscita Confronto open-collector 3-state THREE-STATE OPEN-COLLECTOR Più veloce (mantiene lo schema complementare) più lento (dipende da R pull-up ) (lento solo da 0 a 1 ) Maggiore disponibilità di IC Limitato FAN-OUT Essenzialmente line-driver Elevato FAN-OUT (lo posso decidere con R pull-up ) Bassa affidabilità su linea multiutente Elevata affidabilità su linea - meno semplice - più semplice (wired AND) - il singolo guasto si propaga - il guasto non si propaga 9

11 Modello e stadio di uscita Buffer e transceiver Esistono dispositivi con funzione logica identità (buffer) che servono per modificare lo stadio di uscita (open collector o 3-state) adattare il FANOUT statico o dinamico Transceiver i buffer transceiver adattano il FANOUT statico o dinamico di bus bidirezionali composti da due 3-state in antiparallelo Organizzati in gruppi da 8 (comandi in comune) Linee!Sel e Dir disponibili all utente (non X e Y) Problemi di FANOUT A Buffer X B!Select Dir Operazione X Y 0 0 Flusso da B a A 0 1 X = Direction&Select 0 1 Flusso da A a B 1 0 Y =! Direction&Select 1 X A e B isolati 0 0 Y 10

12 Modello e stadio di ingresso Zona di incertezza Out 0 in uscita 0 in uscita Voh Vih Vt Vil Vol In 1 in ingresso Zona di incertezza 0 in ingresso In Iil Iih Cin Rip A Rig Funzione logica NOT(F) Rop Cpd Rog Ioh F(In) Iol Vout A < Vil 0 Vil<<Vih? > Vih 1 A? 11

13 Modello e stadio di ingresso Zona di incertezza? Non cambiare! (Schmidt trigger) Voh Vol Out 0 in uscita 0 in uscita Voh Vol Vout= NOT() Vtn Vtp Vtp Vt Vtn In 1 in ingresso Zona di memoria 0 in ingresso (t) A(t-τ) A(t) < Vtn X 0 Vtn<<Vtp 0 0 Vtn<<Vtp 1 1 > Vtp X 1 X = indifferente, τ ~ 0 (tempo di reazione) In Iil Iih Cin A Rip Rig A Funzione logica NOT(F) Rop Cpd Rog Ioh F(In) Iol Vout 12

14 Modello e stadio di ingresso Dispositivi con ingresso Schmidt trigger Ai livelli statici di tensione in ingresso (Vil e Vih) si sostituiscono i livelli di transizione Vtn e Vtp (Isteresi Vh=Vtp-Vtn) Non si ha più zona d incertezza L uscita è sempre nota per tutti i valori dell ingresso tra 0 e Cambia il concetto di immunità al rumore Se Vtn (o Vtp) posso applicare un rumore pari a Vh senza modificare l informazione in ingresso (rumore alla commutazione) Se = Vol (condizione statica) posso avere un rumore Vn = Vtp-Vol Se = Voh (condizione statica) posso avere un rumore Vn = Voh-Vtn Durante la commutazione i dispositivi con ingresso Schmidt trigger scambiano in ingresso correnti più elevate (Itp>Iih, Itn>Iil) Cambia il concetto di FANOUT N = min(iol/iil, Ioh/Iih) (Se N>M=min(Ioh/Itp, Iol/Itn) allora solo M dispositivi commutano subito I dispositivi con ingresso Schmidt trigger sono più lenti (~ +50%) I dispositivi con ingresso Schmidt trigger si utilizzano per squadrare i segnali Adattamento di logiche lente verso logiche veloci Adattamento di FANOUTd (Se Cl>>Clo devo utilizzare questi dispositivi) = S.T. 13

15 Modello e stadio di ingresso Circuiti generatori di ritardo Vo i Circuiti oscillanti. Il ritardo generato da 2N porte è pari a N(Tphl+Tplh) Il ritardo del circuito RC dipende dalla tensione Vc(t) dopo la commutazione di Vo all istante 0+ tra Vol e Voh e viceversa (si ipotizzi impedenza d ingresso infinita per il dispositivo ricevitore) Vo = R i(t) + Vc(t) ma per un condensatore i(t)=c dvc(t)/dt Vo = τ dvc(t)/dt + Vc(t) per cui dvc(t)/dt + Vc(t)/τ = Vo/τ da cui Vc(t) = (Vc(0)-Vo)e -t/τ + Vo ossia, in generale, (t) = (0) + (( )-(0))(1-e -t/τ ) (τ=r C) R C Vc= L oscillatore ad anello a 2N+1 porte NOT oscilla con periodo (2N+1)(Tphl+Tplh) Il ritardo del circuito RC si comporta come sopra. R C = C R 14

16 Modello e stadio di ingresso Circuiti con dispositivi con ingresso Schmidt trigger: astabile Abil S.T. Vo OUT Abil 0 Vo t0 t1 t2 t=0: Vout Abil = Vol 0 = Vol 0 Vo = Voh (τ=r C) t=start:vout Abil = Z = (Voh-0)(1-e -t/τ ) + 0 Vo = Voh t=t0: = Vtp t0 = τ*ln(voh-0)/(voh-vtp) Vo = Vol = (Vol-Vtp) )(1-e -t/τ ) + Vtp t=t1: = Vtn t1 = τ*ln(vtp-vol)/(vtn-vol) Vo = Voh = (Voh-Vtn) )(1-e -t/τ ) + Vtn t=t2: = Vtp t2 = τ*ln(voh-vtn)/(voh-vtp) Vo = Vol = (Vol-Vtp)(1-e -t/τ ) + Vtp.. Gli oscillatori realizzati mediante questo circuito sono di bassa qualità (i livelli dipendono dalla temperatura e dalla tensione di alimentazione) Si possono realizzare oscillatori ad anello costituiti da una serie di 2N+1 porte NOT o da contatori 15

17 Modello e stadio di ingresso Circuiti con dispositivi con ingresso Schmidt trigger: ritardo P Vout t=a-: = Vol = 0 0 (τ=r C) Vout = Vol t=a+: = Voh = (Voh-0)(1-e -t/τ ) + 0 Vout = Vol t=t1: = Vtp t1 = τ*ln(voh-vol)/(voh-vtp) Vout=Voh = (Voh-Vol)(1-e -t/τ ) + Vol -> Voh t=b: = Vol = (Vol-Voh)(1-e -t/τ ) + Voh Vout = Voh t=t2: = Vtn t2 = τ*ln(voh-vol)/(vtn-vol) Vout=Vol = (Vol-Voh)(1-e -t/τ ) + Voh -> Vol. I generatori di ritardo realizzati mediante questo circuito sono di bassa qualità (i livelli dipendono dalla temperatura e dalla tensione di alimentazione) Si può realizzare ritardi mediante sequenze pari di porte NOT o contatori P Vout A t1 Vtp B Vtn t2 Vtp Vtn 16

18 Modello e stadio di ingresso Esercizio, generatore di ritardo Dato il circuito a lato, si ipotizzi di applicare in ingresso un onda quadra con duty cycle pari a 50% a 10kHz. Si calcoli la massima variazione del duty cycle in uscita e lo sfasamento medio tipico (ritardo). (τ = RC =10μs) min typ max Vol 0V 0.25V 0.4V Voh 2.7V 3.4V 3.7V Vtn 0.5V 0.8V 1.0V Vtp 1.4V 1.6V 1.9V P Vout Soluzione Dato un segnale a frequenza F (periodo T) il duty cycle D è definito come Ton/T. In ingresso Ton=50%T=T/2=50 μs, in uscita è Ton=T/2-t1+t2=50 μs-(t1-t2): il valore minimo e massimo verrà calcolato utilizzando il valore minimo e massimo di t1-t2. Lo sfasamento medio tipico sarà dato dal valore medio di t1 e t2 tipici. Applicando le relazioni sopra indicate si ha: t1-t2 = τ*ln(voh-vol)/(voh-vtp) - τ*ln(voh-vol)/(vtn-vol) = τ ln((vtn-vol)/(voh-vtp)) t1-t2,min = τ ln(( )/( )) = -3.1τ = -31 μs t1-t2,max = τ ln((1.0-0)/( )) = 0.22τ = 2.2 μs Quindi il duty cycle può variare dal 47.8% al 81%. t1,typ = τ ln(( )/( )) = 0.56τ = 5.6 μs t2,typ = τ ln(( )/( )) = 1.75τ = 17.5 μs Lo sfasamento tipico medio è pari a (t1,typ + t2,typ)/2 = 1.155τ = 11.5 μs 17

19 Modello e stadio di ingresso Esercizio, rilevatore fronte di salita Dato il circuito a lato, se ne discuta il funzionamento, ipotizzando di applicare in ingresso un onda quadra con duty cycle pari a 50% a 10kHz. (τ = RC =10μs) min typ max Vi Vol 0V 0.25V 0.4V Vtn Voh 2.7V 3.4V 3.7V Vx Vtn 0.5V 0.8V 1.0V Vtp 1.4V 1.6V 1.9V Vo Soluzione Tx Il circuito agisce da rilevatore di fronte di salita generando in uscita un impulso di durata fissa Tx in corrispondenza di un fronte positivo in ingresso. Il diodo evita tensioni negative troppo elevate in corrispondenza del fronte di discesa. All inizio Vi=Vol e Vx=0. All applicazione del fronte di salita su Vi (Vol -> Voh), il condensatore trasmette la variazione di tensione Voh-Vol al punto Vx che si porta istantaneamente a Voh-Vol attraversando Vtp e quindi portando a 1 l uscita del circuito. Il condensatore comincia a caricarsi secondo la legge esponenziale applicata a Vc=Vi-Vx. Vc =Vol + (Voh-Vol)(1-e -t/τ ). Quindi si ha Vx = Vi-Vc = Voh-Vol - (Voh-Vol)(1-e -t/τ ) = (Voh-Vol)e -t/τ Tx è il tempo che impiega Vx ad arrivare da Voh-Vol a Vtn. Vtn = (Voh-Vol)e -Tx/τ Tx = τ ln((voh-vol)/vtn) = τ ln(( )/0.8) = τ 1.37 = 13.7 μs Tx, max = τ ln((3.7-0)/0.5) = τ 2.00 = 20 μs Tx, min = τ ln(( )/1) = τ 0.83 = 8.3 μs Nota: il rilevatore di fronte può essere ottenuto anche dal generatore di ritardo e da porte logiche Vo = Vi(t)&!Vi(t-τ) (l uscita è il risultato dell AND tra l ingresso e il negato dell ingresso ritardato) Vi Vx Vo 18

20 Modello e stadio di ingresso Esercizio Dato il circuito a lato, si ipotizzi di applicare all ingresso Abil un fronte di salita e si calcoli il periodo max e typ di oscillazione. (τ = RC =10μs). è la per variare l uscita da 1? Qual minima durata dell impulso di Abil min typ max Vol 0V 0.25V 0.4V Voh 2.7V 3.4V 3.7V Abil Vtn 0.5V 0.8V 1.0V Vtp 1.4V 1.6V 1.9V 0 Abil S.T. Vo t=t1: t=t2: Vo t0 t1 t2 =Vtn t1 = τ*ln(vtp-vol)/(vtn-vol) typ=τ*ln( )/( )=9.0us max=τ*ln(1.9-0)/( )=29.4us Vo=Voh = (Voh-Vtn) )(1-e -t/τ ) + Vtn salita =Vtp t2 = τ*ln(voh-vtn)/(voh-vtp) typ= τ*ln(3.4-.8)/( )=3.7us max=τ*ln( )/( )=13.9us Vo=Vol = (Vol-Vtp)(1-e -t/τ ) + Vtp discesa t=0-: Vout Abil = Vol 0 = Vol, Vo = Voh t=0+: = (Voh-0)(1-e -t/τ ) + 0 Vo = Voh t=t0: = Vtp t0 = τ*ln(voh-0)/(voh-vtp) Vo = Vol Per avere commutazione in uscita è necessario attendere t0 il cui valore massimo è pari a t0 = τ*ln(3.7-0)/( )=15.3us 19